Гидротрансформатор выполняет не только функции сцепления, но и автоматически изменяет крутящий момент в зависимости от нагрузки и частоты вращения колес автомобиля. Гидротрансформатор состоит из двух лопастных машин - центробежного насоса, центростремительной турбины и расположенного между ними направляющего аппарата-реактора. Насос и турбина предельно сближены, а их колесам придана форма, обеспечивающая непрерывный круг циркуляции рабочей жидкости. В результате гидротрансформатор получил минимальные габаритные размеры и одновременно снижены потери энергии на перетекание жидкости от насоса к турбине.

Насосное колесо связано с коленчатым валом двигателя, а турбина - с валом коробки передач. Тем самым в гидротрансформаторе отсутствует жесткая связь между ведущими и ведомыми элементами, а передача энергии от двигателя к трансмиссии осуществляется потоками рабочей жидкости, которая отбрасывается с лопаток насоса на лопасти турбины.

Собственно, по такой схеме работает гидромуфта, которая просто передает крутящий момент, не трансформируя его величину. Чтобы изменять момент, в конструкцию гидротрансформатора введен реактор. Это также колесо с лопатками, однако оно жестко прикреплено к корпусу и не вращается (заметим: до определенного времени). Реактор расположен на пути, по которому масло возвращается из турбины в насос. Лопатки реактора имеют особый профиль, а межлопаточные каналы постепенно сужаются. По этой причине скорость, с которой рабочая жидкость течет по каналам направляющего аппарата, постепенно увеличивается, а сама жидкость выбрасывается из реактора в сторону вращения насосного колеса, как бы подталкивая и подгоняя его. Отсюда сразу два следствия.
Первое - благодаря увеличению скорости циркуляции масла внутри гидротрансформатора при неизменном режиме работы насоса (читай: двигателя, поскольку насосное колесо, как говорилось выше, жестко связано с коленвалом) крутящий момент на выходном валу гидротрансформатора увеличивается.
Второе - при неизменном режиме работы насоса режим работы турбины изменяется автоматически и бесступенчато в зависимости от приложенного к валу турбины (читай: колесам автомобиля) сопротивления.

Поясним эти аксиомы на конкретных примерах. Допустим, автомобилю, который двигался по равнинному участку дороги, предстоит подъем в гору. Забудем на время про педаль акселератора и посмотрим, как отреагирует на изменение условий движения гидротрансформатор. Нагрузка на ведущие колеса увеличивается, а автомобиль начинает терять скорость. Это приводит к уменьшению частоты вращения турбины. В свою очередь уменьшается противодействие движению рабочей жидкости по кругу циркуляции внутри гидротрансформатора. В результате скорость циркуляции возрастает, что автоматически приводит к увеличению крутящего момента на валу турбинного колеса (аналогично переходу на низшую передачу в механических КПП) до тех пор, пока не наступит равновесие между ним и моментом сопротивления движению.

По аналогичной схеме работает автоматическая трансмиссия и при старте с места. Только теперь самое время вспомнить про педаль газа, нажатие на которую увеличивает обороты коленчатого вала, а значит, и насосного колеса, и про то, что сначала автомобиль, а следовательно, и турбина находились в неподвижном состоянии, но внутреннее проскальзывание в гидротрансформаторе не мешало двигателю работать на холостом ходу (эффект выжатой педали сцепления). В этом случае крутящий момент трансформируется в максимально возможное число раз. Зато когда достигнута необходимая скорость, надобность в преобразовании крутящего момента отпадает. Гидротрансформатор посредством автоматически действующей блокировки превращается в звено, жестко связывающее его ведущий и ведомый валы. Такая блокировка исключает внутренние потери, увеличивает значение КПД передачи, уменьшает расход топлива в установившемся режиме движения, а при замедлении повышает эффективность торможения двигателем. Кстати, одновременно с целью снижения все тех же потерь реактор освобождается и начинает вращаться вместе с насосным и турбинным колесом.

Зачем же к гидротрансформатору присоединяют КПП, если он сам способен изменять величину крутящего момента в зависимости от нагрузки на ведущие колеса? Увы, гидротрансформатор может изменять крутящий момент с коэффициентом, не превышающим 2-3,5. Как ни крути, а такого диапазона изменения передаточного числа недостаточно для эффективной работы трансмиссии. К тому же нет-нет да и возникает надобность во включении заднего хода или полном разъединении двигателя от ведущих колес.

Коробки автоматических трансмиссий имеют зубчатые зацепления, но существенно отличаются от обычных механических КПП хотя бы потому, что передачи в них переключаются без разрыва потока мощности с помощью приводимых гидравликой многодисковых фрикционных муфт или ленточных тормозов. Необходимая передача выбирается автоматически с учетом скорости автомобиля и степени нажатия на педаль газа, которая определяет желаемую интенсивность разгона. За выбор передачи отвечает гидравлический и электронный блоки управления АКПП. Водитель, кроме нажатия на акселератор, может влиять на процесс смены передач, выбрав зимний или спортивный алгоритм переключения или установив, например, при движении в сложных условиях селектор КПП в специальное положение, которое не позволяет автоматике переключаться выше определенной разгонной передачи.

Кроме гидротрансформатора и планетарного механизма в состав КПП-автоматов входит масляный насос, снабжающий гидротрансформатор и гидравлический блок управления рабочей жидкостью и обеспечивающий смазку коробки, а также радиатор охлаждения рабочей жидкости, которая из-за интенсивного “перелопачивания” имеет свойство сильно нагреваться.

1. Понятие автоматической трансмиссии.

Для понимания сути автоматической трансмиссии сравним её с простой механической трансмиссией. Рассмотрим вкратце главные компоненты автоматической трансмиссии и функции, которые они выполняют ( рис. 1)

Рис.1. Главные компоненты автоматической трансмиссии:

1) Гидротрансформатор (ГТ) – соответствует сцеплению в механической трансмиссии , но не требует непосредственного управления со стороны водителя.
2) Планетарный ряд - соответствует блоку шестерен в механической коробке передач и служит для изменения передаточного отношения в автоматической трансмиссии при переключении передач.
3) Тормозная лента, передний фрикцион, задний фрикцион – компоненты, посредством которых осуществляется переключение передач.
4) Устройство управления – осуществляет контроль за переключением передач в трансмиссии со встроенной электронной системой управления. Автоматическая трансмиссия переключает передачи самостоятельно в зависимости от скорости автомобиля и обеспечивает водителю приятные и комфортные условия для вождения автомобиля. От водителя лишь требуется вручную выбрать направление движения машины: вперёд или назад.

2. Гидротрансформатор.

Общее устройство и принцип действия. Гидротрансформатор (ГТ) (или torque converter в зарубежных источниках) служит для передачи крутящего момента непосредственно от двигателя к элементам автоматической коробки передач (АКП) и состоит из следующих основных частей (рис. 2):

- насосное колесо или насос (pump);
- плита блокировки ГТ (lock - up piston);
- турбинное колесо или турбина (turbine);
- статор (stator); - обгонная муфта (one - way clutch).
Для иллюстрации принципа действия ГТ как элемента, передающего крутящий момент, воспользуемся примером с двумя вентиляторами (рис.3).

Один вентилятор (насос) включён в сеть и создаёт поток воздуха. Второй вентилятор (турбина) - выключен, однако, его лопатки, воспринимая поток воздуха, создаваемого насосом, вращаются. Скорость вращения турбины меньше, чем у насоса, она как бы проскальзывает по отношению к насосу. Если применить этот пример по отношению к ГТ, то в нём в качестве вентилятора, включённого в сеть (насоса), выступает крыльчатка насосного колеса.

Насосное колесо механически связано с двигателем. В качестве выключенного вентилятора (турбины) выступает турбинное колесо, соединённое через шлицы с валом АКП. Подобно вентилятору - насосу, крыльчатка насосного колеса ГТ, вращаясь, создаёт поток, только уже не воздуха, а жидкости (масла). Поток масла, как и в случае с вентилятором - турбиной, заставляет вращаться турбинное колесо ГТ. В данном случае ГТ работает как обыкновенная гидромуфта, лишь передавая посредством жидкости крутящий момент от двигателя на вал АКП, не увеличивая его. Увеличение оборотов двигателя не приводит к сколь - ни будь существенному увеличению передаваемого крутящего момента.

Снова возвратимся к иллюстрации с вентиляторами. Поток воздуха, крутящий лопатки вентилятора - турбины, рассеивается впустую в пространстве. Если же этот поток, сохраняющий значительную остаточную энергию, направить снова к вентилятору - насосу, он начнёт вращаться быстрее, создавая более мощный поток воздуха, направленный к вентилятору - турбине. Тот, соответственно, тоже начнёт вращаться быстрее. Это явление известно как преобразование (увеличение) крутящего момента.

В ГТ в процесс преобразования крутящего момента помимо насосного и турбинного колёс включён статор, который изменяет направление потока жидкости. Подобно воздуху, вращавшему лопатки вентилятора - турбины, поток жидкости (масла), вращавший турбинное колесо ГТ, всё ещё обладает значительной остаточной энергией. Статор направляет этот поток обратно на крыльчатку насосного колеса, заставляя её вращаться быстрее, увеличивая тем самым крутящий момент. Чем меньше скорость вращения турбинного колеса ГТ по отношению к скорости вращения насосного колеса, тем большей остаточной энергией обладает масло, возвращаемое статором на насос, и тем большим будет момент, создаваемый в ГТ.
Турбина всегда имеет скорость вращения меньшую, чем насос. Это соотношение скоростей вращения турбины и насоса максимально при неподвижном автомобиле и уменьшается с увеличением его скорости. Поскольку статор связан с ГТ через обгонную муфту, которая может вращаться только в одном направлении, то, благодаря особой форме лопаток статора и турбины поток масла направляется на обратную сторону лопаток статора (рис. 4), благодаря чему статор заклинивается и остаётся неподвижным, передавая на вход насоса максимальное количество остаточной энергии масла, сохранившееся после вращения им турбины. Такой режим работы ГТ обеспечивает максимальную передачу им крутящего момента. Например, при трогании с места ГТ увеличивает крутящий момент почти в три раза.

По мере разгона автомобиля проскальзывание турбины относительно насоса уменьшается и наступает момент, когда поток масла подхватывает колесо статора и начинает вращать его в сторону свободного хода обгонной муфты (см. рис. 5).

ГТ перестаёт увеличивать крутящий момент и переходит в режим обычной гидромуфты. В таком режиме ГТ имеет КПД, не превышающий 85%, что приводит к выделению в нём излишнего тепла и, в конечном счёте, увеличению расхода топлива двигателем автомобиля.

Для устранения этого недостатка используется блокировочная плита (см. рис. 6а).

Она механически связана с турбиной, однако, может перемещаться влево и вправо. Для её смещения влево поток масла, питающий ГТ, подаётся в пространство между плитой и корпусом ГТ, обеспечивая их механическую развязку, то есть, плита в таком положении никак не влияет на работу ГТ.

При достижении автомобилем высокой скорости по особой команде от устройства управления АКП поток масла изменяется так, что он прижимает блокировочную плиту вправо к корпусу ГТ (см. рис. 6б).

Для увеличения силы сцепления на внутреннюю сторону корпуса наносится фрикционный слой. Происходит механическая блокировка насоса и турбины посредством плиты. ГТ перестаёт выполнять свои функции. Двигатель жёстко связывается с входным валом АКП. Естественно, при малейшем торможении автомобиля блокировка немедленно выключается.

Существуют и другие способы блокировки ГТ, однако, суть всех способов одна - исключить проскальзывание турбины относительно насоса. В зарубежных источниках такой режим работы ГТ называется Lock - up ( лок - ап) Корпус ГТ выполняет ещё одну очень важную функцию. С его помощью осуществляется привод масляного насоса АКП. Для этого используется дополнительный валик, размещённый внутри вала турбины. С корпусом ГТ этот валик связан шлицевым соединением. Во многих АКП масляный насос вращается непосредственно горловиной ГТ.

3. Планетарные ряды

1) Необходимость планетарных рядов.

Хотя ГТ и способен увеличивать крутящий момент, система планетарных рядов в АКП необходима по следующим причинам:
- при преодолении автомобилем подъёмов или во время его резкого разгона в трансмиссии необходимо создать крутящий момент больший, чем может создать один ГТ;
- автомобиль должен быть способен двигаться не только вперёд, но и назад.

2) Планетарные ряды.

В отличие от простой механической трансмиссии, в которой используются параллельные валы и сцепляющиеся между собой шестерни, в автоматических трансмиссиях в подавляющем большинстве используются планетарные передачи.
Преимущества планетарной передачи заключаются в её компактности, использовании лишь одного центрального вала и в способе переключения передач, осуществляемом путём блокировки одних и разблокировании других элементов планетарного ряда.
В автомобиле с простой механической трансмиссией водитель для переключения передач вынужден постоянно и последовательно выжимать педаль сцепления и отпускать педаль газа. Автоматическая трансмиссия автоматически переключает передачи в нужное время. Для этого водителю достаточно манипулировать лишь педалью газа, нажимая или отпуская её.
Планетарная передача обеспечивает ровное, без рывков, переключение скоростей движения автомобиля без потерь мощности двигателя, толчков и ударов, обычно ассоциируемых с моментом переключения передачи в простой трансмиссии.

3) Структура и теория планетарного ряда.

Планетарный ряд (planetary gear, см. рис. 7)

состоит из следующих элементов:
- солнечной шестерни (sun gear);
- сателлитов (pinion gears);
- эпицикла (internal gear);
- водила (carrier).
Солнечная шестерня находится в центре. Сателлиты вращаются вокруг солнечной шестерни, в то время как она вращается вокруг своей собственной оси. Эпицикл охватывает сателлиты, которые поддерживают водило. Все сателлиты вращаются одновременно и в одном направлении.
Переключение скорости вращения в планетарном ряду происходит тогда, когда 2 из 3 - х элементов планетарного ряда (солнечная шестерня, эпицикл, водило) находятся в определённых условиях - блокированы или разблокированы в различной комбинации. Что же это за условия?

Рассмотрим простой пример. На рис. 8 показан шарик С между досками А и В.

Доска В зафиксирована неподвижно, а доска А двигается в направлении, показанном стрелкой. В этом случае шарик с двигается в том же направлении, что и доска А, только медленнее её.
Если применить этот пример к планетарному ряду, то в качестве доски А выступит эпицикл, в качестве доски В - солнечная шестерня и в качестве шарика С - сателлиты. Если зафиксировать солнечную шестерню и повернуть эпицикл в направлении стрелки, сателлит будет вращаться в том же направлении, что и эпицикл. Однако, как и в случае с досками и шариком, сателлит вращается медленнее, чем эпицикл. Такое соотношение скоростей вращения эпицикла и сателлитов в планетарном ряду АКП осуществляется на второй передаче.

Подумаем, что произойдёт, если заставить двигаться сателлиты, а, следовательно, и водило, ещё медленнее. В предыдущем примере доска В была зафиксирована, а доска А - двигалась. На этот раз будем медленно двигать доску В в направлении, противоположном движению доски А. Как показано на рис. 9, шарик движется медленнее, чем в предыдущем случае. Что при этом происходит в планетарном ряде?
Скорость, с которой водило (шарик) передвигается эпициклом (доской А), уменьшается по отношению к скорости вращающейся в обратном направлении солнечной шестерни (доски В). В результате, скорость вращения водила меньше, чем в предыдущем случае со второй передачей. Такое соотношение скоростей водила и эпицикла осуществляется при включении в АКП первой или пониженной (low gear) передачи.

Что произойдёт, если двигать доску А и доску В в одинаковом направлении и с одинаковой скоростью? Шарик С между досками не может двигаться самостоятельно, следовательно, он двигается вместе с ними (рис. 10).

Если в планетарном ряду эпицикл и солнечная шестерня вращаются в одинаковом направлении и с одинаковой скоростью, водило вращается в том же направлении и с той же скоростью. Такое соотношение скоростей данных элементов планетарного ряда осуществляется при включённой третьей (drive) передаче.

Попробуем двигать доску В в направлении, показанном стрелкой (рис. 11).

Шарик С остаётся неподвижным, вращаясь только вокруг своей оси. В этом случае доска А двигается в направлении, противоположном направлению движения доски В. Применим эту ситуацию к планетарному ряду. Если водило зафиксировано и солнечная шестерня вращается по часовой стрелке (рис. 11), сателлиты вращаются и двигают эпицикл против часовой стрелки. В этом случае, если считать, что солнечная шестерня передаёт входной момент, а эпицикл - выходной, то применительно к автоматической трансмиссии получим передачу заднего хода (reverse gear).

Наконец зафиксируем доску В и будем двигать шарик С в направлении стрелки (рис. 12).

Тогда доска А двигается с большей скоростью и в том же направлении, что и шарик. Снова применим эту ситуацию к планетарному ряду. Если солнечная шестерня (доска В) заблокирована, а водило (шарик С) вращается по часовой стрелке (рис. 12), сателлиты вращаются в том же направлении вокруг солнечной шестерни. Скорость вращения эпицикла складывается из собственной скорости вращения сателлитов и скорости их вращения вокруг неподвижной солнечной шестерни. Другими словами, эпицикл вращается быстрее, чем водило. Такое соотношение в трансмиссии характерно для четвёртой (overdrive) передачи.

Схема планетарного ряда

Как правило, для переключения передач в 3 - скоростной автоматической трансмиссии используются 2 планетарных ряда, в 4 - скоростной - 3 планетарных ряда, но бывают и исключения, например, АКП AXOD (Ford)

4. О тормозах и фрикционах.

Рассмотрим механизмы, посредством которых осуществляется блокировка различных элементов планетарного ряда в АКП и, следовательно, включение (выключение) различных передач. Этими механизмами являются тормоза и фрикционы.
Тормоз - это механизм, посредством которого осуществляется блокировка элементов планетарного ряда на неподвижный корпус АКП.
Фрикцион - это механизм, посредством которого подвижные элементы планетарного ряда блокируются между собой.
1) Тормозная лента (brake band).
Тормозная лента служит для временной блокировки элементов планетарного ряда на корпус АКП. Несмотря на свои небольшие размеры, лента обладает весьма сильной удерживающей способностью. Подобно тормозным башмакам, она использует для блокировки эффект самозажатия. Когда тормозная лента отпускается, толчок, возникающий при переключении передач, смягчается, поскольку элемент планетарного ряда, который удерживала лента, начинает вращаться в сторону, противоположную направлению приложения силы торможения ленты. Другими словами, когда лента отпускается, она стремится освободить себя быстрее.
Итак, перечислим основные достоинства тормозной ленты:
- несмотря на небольшой размер, она обладает большой удерживающей способностью;
- она подходит для блокировки вращающихся элементов планетарного ряда АКП на корпус АКП;
- она смягчает толчки и удары, возникающие при переключении передач.

Принцип действия тормозной ленты.

Один конец тормозной ленты крепится неподвижно на корпусе АКП, другой - к поршню сервопривода. Когда масло подаётся в полость включения сервопривода (рис.13), поршень сервопривода, передвигаясь под давлением масла (по рисунку влево), зажимает тормозную ленту, осуществляя тем самым блокировку элемента планетарного ряда. При подаче масла в полость отключения сервопривода давление масла в обеих полостях выравнивается, поршень сервопривода под действием возвратной пружины возвращается в исходное положение (вправо), тормозная лента высвобождается.

2) Система фрикционов (clutch system).

Целесообразность использования фрикционных дисков в автоматических трансмиссиях обусловлена их следующими преимуществами:
- способность выдерживать большие нагрузки;
- значительная степень свободы при их подборе (количество дисков можно увеличивать или уменьшать;
- нет необходимости в регулировке пакета фрикционов из - за износа дисков;
- способность прочного сцепления ведущих (drive plate) и ведомых (driven plate) дисков в пакете при больших скоростях вращения элементов планетарного ряда;
- хотя пакет фрикционов подвергается значительным нагрузкам, он не воздействует с такими же нагрузками на корпус АКП (в отличие от тормозной ленты, где большие нагрузки концентрируются в месте его крепления к корпусу АКП).

Принцип действия фрикционов.

Пакет фрикционов состоит из частей, показанных на рис. 14. Входной крутящий момент передаётся с барабана (drum) на ведущие диски. Ведомые диски поддерживаются втулкой (hub), которая передаёт выходной крутящий момент. Поршень (piston) приводится в действие давлением масла. Двигаясь под давлением масла вправо (по рисунку), поршень посредством конического диска (dished plate) плотно прижимает ведущие диски пакета к ведомым. Заставляя их вращаться как единое целое и осуществляя передачу крутящего момента от барабана к втулке. Как только давление масла падает, поршень под действием возвратной пружины (return spring) перемещается влево, ведущие и ведомые диски разжимаются, крутящий момент через пакет больше не передаётся. Даже когда фрикцион выключен, в барабане, который вращается с большой скоростью, масло, оставшееся между барабаном и втулкой, отбрасывается под действием центробежной силы к внутренней стенке барабана. Вследствие этого возникает остаточное давление масла, которое прикладывается к поршню, вынуждая его к перемещению и подвключению фрикциона. Это приводит к преждевременному износу дисков и прочим неприятностям.

Существуют 2 метода устранения подобного явления

(рис. 15).

Метод 1. Используется контрольный шарик (check ball). Когда давления масла под поршнем нет (фрикцион выключен), центробежная сила вынуждает шарик переместиться со своего седла (по рисунку - влево), освобождая отверстие, через которое оставшееся в барабане масло вытекает из полости между поршнем и барабаном наружу. Когда в эту полость подаётся масло (фрикцион включается), его давление превышает центробежную силу и шарик под давлением масла возвращается на своё седло. Перекрывая отверстие для вытекания масла наружу.

Метод 2. Масло из полости между поршнем и барабаном вытекает наружу через отверстие (orifice). Воздух в эту полость поступает через секцию с контрольным шариком, которая ближе к оси вращения барабана. При таком способе при включении фрикциона всегда будет небольшая утечка масла. Но, поскольку масляный насос поддерживает постоянное давление масла в гидравлической системе, такая утечка не является проблемой.

3) Обгонная муфта (one - way clutch).

Обгонная муфта может вращаться лишь в одном направлении. Она состоит из подвижного внутреннего кольца (inner race), зафиксированного наружного кольца (outer race) и кулачков (рис.16).

Принцип действия.

Когда внутреннее кольцо вращается по часовой стрелке, оно проскальзывает через кулачок (см. рис. 16). Когда же внутреннее кольцо пытается вращаться против часовой стрелки, оно поднимает кулачок и он, заклиниваясь, не даёт кольцу возможности вращаться в этом направлении.

http://abst06.narod.ru/

Я счастлив по умолчанию,не лезьте пожалуйста в настройки©